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ESCUELA TCNICA SUPERIOR DE INGENIEROS DE MINAS
PROYECTO FIN DE CARRERA
DEPARTAMENTO DE SISTEMAS ENERGTICOS
CENTRAL TERMOSOLAR DE 50 MW EN MURCIA CON COLECTORES CILINDRO PARABLICOS
MIGUEL NGEL GUILLAMN LPEZ JUNIO DE 2012
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TITULACIN: INGENIERO DE MINAS PLAN 1996
Autorizo la presentacin del proyecto
Central termosolar de 50 MW en Murcia con colectores cilindro parablicos
Realizado por
Miguel ngel Guillamn Lpez
Dirigido por
Juan Jos Snchez Inarejos
Firmado: Prof. Juan Jos Snchez Inarejos
Fecha:..
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I
INDICE
RESUMEN Y ABSTRACT..V
DOCUMENTO 1: MEMORIA
1 Objetivo y alcance... ............ 2
2 Antecedentes... ............. 3
2.1 Experiencias anteriores en Plantas Termosolares.. ................... 3
2.2 Localizacin y tamao de la central termosolar.............................................. ................. 6
2.3 Idoneidad de la localizacin............................................................................ ................. 7
2.4 Geologa del terreno... ........ 10
2.5 Infraestructura y servicios. ............................................................................................. 10
2.6 Marco regulatorio espaol para el sector termoelctrico ............................................... 11
2.7 Eleccin del tamao de la planta termo solar ................................................................. 13
3 Metodologa .......................................................................................................................... 14
4 Eleccin del CCP a emplear en la planta termosolar ............................................................ 15
5 Eleccin del tubo absorbedor a emplear en la planta ............................................................ 18
6 Eleccin del tipo de fluido caloportador ............................................................................... 21
7 Diseo de la planta solar termoelctrica................................................................................ 22
7.1 Campo solar ................................................................................................................... 22
7.1.1 Parmetros de partida para el dimensionamiento del campo solar23
7.1.2 Caudal de aceite Therminol VP-1 por fila de CCP ................................................. 24
7.1.3 Incremento de temperatura del aceite por colector .................................................. 26
7.1.4 Nmero de colectores en cada fila .......................................................................... 29
7.1.5 Nmero de lazos de la planta termoelctrica ........................................................... 30
7.1.6 Calculo del rendimiento del campo solar ................................................................ 32
7.2 Sistema de transferencia de calor y bloque de potencia ................................................. 36
7.2.1 Descripcin del ciclo agua- vapor ........................................................................... 36
7.2.2 Anlisis de la turbina de Alta .................................................................................. 39
7.2.3 Anlisis del recalentador ......................................................................................... 42
7.2.4 Anlisis de la Turbina de Baja ................................................................................ 43
7.2.5 Anlisis del condensador ......................................................................................... 46
7.2.6 Anlisis de las Bombas de Condensado .................................................................. 47
7.2.7 Anlisis del precalentador ....................................................................................... 48
7.2.8 Anlisis del Desgasificador ..................................................................................... 49
7.2.9 Anlisis de las Bombas de Agua de alimentacin ................................................... 50
7.2.10 Anlisis del intercambiador de calor ....................................................................... 51
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II
7.2.11 Clculo de potencias ................................................................................................ 52
7.2.12 Rendimiento del ciclo de vapor ............................................................................... 53
7.2.13 Diseo del alternador .............................................................................................. 53
7.3 Produccin elctrica ....................................................................................................... 54
7.3.1 Produccin elctrica solar ....................................................................................... 54
7.3.2 Produccin elctrica con caldera auxiliar ................................................................ 57
7.3.3 Estudio de disponibilidad ........................................................................................ 58
8 Resumen de caractersticas de la planta termoelctrica ........................................................ 62
9 Ahorro de emisiones de CO2 ................................................................................................. 64
10 Conclusiones ......................................................................................................................... 66
11 Bibliografa ........................................................................................................................... 68
DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO
1 Consideraciones..71
1.1 Marco regulatorio...71
2 Inversin del proyecto y anlisis econmico.73
2.1 Inversin necesaria..73
2.2 Costes...75
2.2.1 Costes del combustible auxiliar....75
2.2.2 Costes de operacin y mantenimiento..76
2.2.3 Coste del agua...76
2.2.4 Coste de los seguros de la planta..77
2.3 Ingresos...............77
2.3.1 Precio de venta de la electricidad.77
2.4 Anlisis econmico........79
3 Valoracin del proyecto.81
3.1 El Valor Actual Neto (VAN)......81
3.2 Tasa Interna de Rentabilidad (TIR)........81
3.3 Pay back o plazo de recuperacin......82
ANEXOS
ANEXO A: CLCULOS.85
ANEXO B: DATOS METEORLIGOS Y TERMODINMICOS...95
ANEXO C: ESPECIFICACIONES...102
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III
Indice de figuras
DOCUMENTO 1: MEMORIA
Figura 2-1: Vista area de las centrales termosolares de Andasol ................................................ 4
Figura 2-2: Central Nevada Solar One .......................................................................................... 5
Figura 2-3: Localizacin de la planta termo solar ......................................................................... 6
Figura 2-4: Ubicacin de la parcela a utilizar en el proyecto ........................................................ 7
Figura 2-5: Irradiacin solar mundial ............................................................................................ 8
Figura 4-1: Filas de colectores SKAL-ET ................................................................................... 16
Figura 4-2: Parte de atrs de un colector Solargenix ................................................................... 16
Figura 5-1: Tubo absorbedor Siemens uvac 2010 ....................................................................... 18
Figura 5-2: Planta de Schott en Aznalcllar (Sevilla) ................................................................. 20
Figura 7-1: Distribucin general de la planta solar termoelctrica ............................................. 22
Figura 7-2: Optimizacin SM en funcin del almacenamiento y coste de la energa..........31
Figura 7-3: Balance de prdidas pticas...33
Figura 7-4: Diagrama del ciclo agua vapor ................................................................................. 36
Figura 7- 5: Produccin elctrica bruta anual ............................................................................. 56
Figura 8-1: Croquis de la planta termosolar ................................................................................ 63
Figura 9-1: Emisiones de CO2 por tecnologa ............................................................................. 64
DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO
Figura 2-2: Porcentaje de la inversin que representa cada parte de la central....74
Figura 2-3: Evolucin del pool de medio anual de mercado en base a 24 horas.78
Indice de tablas
DOCUMENTO 1: MEMORIA
Tabla 2-1: Radiacin normal directa en Torre Pacheco, Regin de Murcia ................................. 9
Tabla 2-2: Principal legislacin que aplica el sector de la energa termoelctrica ...................... 11
Tabla 2-3: Limitacin de horas equivalentes de funcionamiento con derecho a prima. ............. 13
Tabla 4-1: Comparativa entre colectores Solargenix y Eurotrough ............................................ 17
Tabla 5-1: Comparativa entre tubos absorbedores de Schott y Siemens.................................... 19
Tabla 7-1: Principales caractersticas del colector ...................................................................... 24
Tabla 7-2: Horas de almacenamiento y SM en la simulacin ..................................................... 31
Tabla 7-3: Caractersticas principales del fluido trmico ............................................................ 37
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IV
Tabla 7-4: Caractersticas principales del sistema agua-vapor ................................................... 38
Tabla 7-5: Produccin elctrica bruta por meses ........................................................................ 56
Tabla 7-6: Produccin de energa bruta ...................................................................................... 58
Tabla 7-7: Grado de carga de la central ...................................................................................... 60
Tabla 8-1: Principales caractersticas de la planta ....................................................................... 62
Tabla 9-1: Emisiones de CO2 con diferentes tecnologas de generacin..................................... 65
DOCUMENTO 2: ESTUDIO ECONMICO
Tabla 2-1: Desglose de la inversin necesaria..73
Tabla 2-2: Retribucin de las diferentes tarifas77
Tabla 3-1: Valores del VAN para las dos tarifas..81
Tabla 3-2: Valores del TIR para las dos tarifas82
Tabla 4-3: Pay back para las dos tarifas...82
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V
RESUMEN
El presente proyecto se centra en el diseo de una planta termosolar de 50 MW de
potencia utilizando colesctores cilindro parablicos (CCPs). Para ello, se parte de una
parcela disponible de hasta 197 ha situada en la Regin de Murcia, Espaa. Se van a
tratar aspectos como el diseo de la planta solar, que implica el dimensionamiento de
los espejos de los CCPs, las estructuras de soporte, la eleccin del fluido conductor de
calor (sales fundidas o aceite sinttico), as como una determinacin de los principales
parmetros y equipos utilizados en la central elctrica que acompaa a la planta
termosolar. Para determinar la viabilidad del proyecto se abordarn aspectos
econmicos y de rentabilidad del proyecto como inversin necesaria y periodo de
retorno teniendo en cuenta la legislacin actual.
ABSTRACT
This Project is focused on the design of a 50 MW power plant using parabolic trough
collectors. As a background, a 197 hectares plot is already available which is located at
the region of Murcia, Spain. Several aspects connected to the design of the power
plamnt are going to be determined such as the kind of trough collectors and the
extension of the solar field, support, HTF and the main parameters and devices belong
to the power station which will be attached to the power plant. In order to settle the key
economic factors as well as the feasibility of the present project, an extensive research
will be accomplished.
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CENTRAL TERMO SOLAR DE 50 MW EN MURCIA CON COLECTORES CILINDRO PARABLICOS
DOCUMENTO 1: MEMORIA
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2
1 Objetivo y alcance
El objetivo de este proyecto es el diseo de una planta termosolar con una potencia de
50 MWe utilizando la tecnologa de colectores cilindro parablicos (en adelante, CCPs)
a la que ir asociada una central elctrica que producir energa elctrica que se
comercializar en el Mercado Elctrico Espaol conforme a la legislacin vigente.
As mismo, el alcance del proyecto abarcar diferentes aspectos que se pueden clasificar
en tres grandes apartados.
Los relacionados con el diseo de la planta solar: dimensionamiento de los
espejos de los CCPs y el modelo ms indicado teniendo en cuenta las
condiciones de la localizacin, la eleccin del fluido caloportador (y el tipo
de tubo absorbedor a emplear.
Los principales elementos de la central elctrica: Intercambiadores de calor,
turbina, generador, condensador y as como parte elctrica (alternador y
transformador elctrico).
Aspectos econmicos y de rentabilidad del proyecto: Inversin necesaria y
periodo de amortizacin teniendo en cuenta la legislacin actual.
En principio se parte de una parcela situada en La Regin de Murcia de la cual el cliente
es el nico propietario con suficiente extensin para alojar todos los elementos de los
que consta la planta solar y su central elctrica.
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3
2 Antecedentes El continuo aumento del consumo energtico en el mundo derivado de un extraordinario
crecimiento de la poblacin mundial, junto al crecimiento del consumo per capita de
estos recursos obliga a una constante bsqueda de nuevos recursos energticos que
puedan satisfacer dicha demanda, tanto desde el punto de vista cuantitativo como
cualitativos o de diversidad.
Para una perfecta sintonizacin entre tecnologa y naturaleza, es necesario desarrollar
otras fuentes energticas que sean menos agresivas contra el ambiente que los
combustibles fsiles y que al mismo tiempo reporte un beneficio econmico para quien
decide en invertir en ella. Es el caso de la tecnologa aplicada en este proyecto, la
energa solar trmica de concentracin con CCPs.
2.1 Experiencias anteriores en Plantas Termosolares
El gran desarrollo de la tecnologa de CCPs se produjo durante los aos 70, propiciado
por el incremento del precio del petrleo. Esto dio lugar al desarrollo de los dos
primeros proyectos de esta ndole.
La planta experimental IEA-SSPS (International Energy Agency Small Solar
Power System), de 500 kWe, instalada en 1981, que se enmarcaba dentro de un
proyecto de colaboracin de I+D impulsado por la Agencia Internacional de la
Energa.
Las plantas SEGS (Solar Electricity Generating Systems), con una potencia
nominal total de 340 MWe, desarrolladas comercialmente por un grupo de
empresas americanas, israelitas y alemanas, y explotadas por Luz Internacional
Inc., en Los ngeles, CA, EEUU.
Los aos posteriores se caracterizaron por un estancamiento, incluso recesin, en este
campo. En la actualidad, diversos factores, como la preocupacin generalizada por el
cambio climtico y el desarrollo sostenible, as como el creciente precio de los
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4 combustibles fsiles, han provocado que muchas empresas y grupos de investigacin
vuelvan a interesarse por la energa solar.
Todas las plantas de este tipo, que se estn construyendo con fines comerciales, se
caracterizan por emplear la tecnologa convencional del aceite como fluido trmico en
el campo solar. Algunos ejemplos de centrales de este tipo de centrales son:
Andasol es un complejo solar en la provincia de Granada, que consta de tres
centrales de cilindro parablicos, de 50 MWe cada una, llamadas Andasol-1,
Andasol-2 y Andasol-3. La planta Andasol-1 ocupa un total de 510 120 m2, con
lazos de colectores cilindro parablicos SKAL-ET, y almacenamiento indirecto
en tanques de sales fundidas con una capacidad total de 6 horas. En la figura 2-1
muestra la extensin de estas plantas.
Figura 2-1: Vista area de las centrales termosolares de Andasol
La central termosolar de Puertollano, propiedad de Iberdrola (90%) y del IDAE
(10%), es una planta convencional de CCPs de aceite, de 50 MWe, situada cerca
de la central de ciclo combinado de Elcogas, en Ciudad Real. La central consta
con 88 lazos de colectores.
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5
La planta Solnova 1, de 50 MWe, es la primera de cinco plantas de CCPs que se
van a construir en Sanlcar la Mayor, en Sevilla. Todas estas plantas responden
esquema convencional de tecnologa HTF con aceite como fluido de trabajo en
el campo solar. La planta Solnova 1 no tiene almacenamiento e hibrida con una
caldera convencional de gas natural. El campo solar est formado por 90 lazos y
cada lazo cuenta con 4 colectores, desarrollo propio de Abengoa. Cada mdulo
se articula en su punto medio mediante un mecanismo que permite el
seguimiento del sol en un eje.
Nevada Solar One es la planta termosolar ms grande que se ha construido en
Estados Unidos desde la ltima SEGS, en 1991. La planta, propiedad de
Solargenix y Acciona, tiene una capacidad nominal de 64 MWe, y produce
anualmente ms de 130 000 millones de kWh. Est compuesta de 357 000 m2 de
CCPs Solargenix de 2 generacin. La figura 2-2 muestra una vista area de la
central de Acciona.
Figura 2-2: Central Nevada Solar One
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6 2.2 Localizacin y tamao de la central termosolar La planta termosolar que ocupa este proyecto va a estar situada en el trmino municipal
de Torre Pacheco, en la Comunidad Autnoma de Murcia. Sus coordenadas geogrficas
son:
Latitud: 3751 98 N
Longitud: 16 10 W
Este municipio est dentro de la comarca de Cartagena y tiene una poblacin de 31 495
habitantes, segn datos del Instituto Nacional de Estadstica de 2009. El ncleo urbano
cercano ms representativo a la planta es el de Balsicas, dentro del mismo trmino
municipal y que cuenta con 2 983 habitantes segn tambin datos del Instituto Nacional
de Estadstica de 2009. Ms all de los datos de poblacin cercana a la planta, destacar
la cercana de la zona industrial de Cartagena,consumidora de grandes cantidades de
energa. La localizacin de la planta se observa en la figura 2-3.
Figura 2-3: Localizacin de la planta termosolar
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7 En concreto, la parcela de la que se dispone tiene una extensin de 197 ha, ms que
suficiente, como se ver en posteriores captulos para albergar una planta termosolar de
las caractersticas de este proyecto.
La imagen que se muestra en la figura 2-4 ha sido obtenida a travs del Sistema de
Informacin Geogrfica de parcelas agrcolas (SIGPAC), es una
aplicacin SIG del Gobierno de Espaa (Ministerio de Agricultura, Alimentacin y
Medio Ambiente) que permite identificar geogrficamente las parcelas declaradas por
los agricultores y ganaderos.
El sistema consta de un mosaico de ortofotos digitales que abarcan toda Espaa, sobre
las que, inicialmente, se superponen los planos parcelarios de catastro de rstica, de
forma que, para cada referencia concreta, el sistema proporciona automticamente la
imagen en pantalla de la parcela referenciada, permitiendo asimismo su impresin en
papel.
Figura 2-4: Ubicacin de la parcela a utilizar en el proyecto
2.3 Idoneidad de la localizacin
La energa termosolar de concentracin emplea la luz solar directa, conocida como
radiacin global directa. Se trata de la luz del sol que no es desviada por las nubes, el
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8 humo o el polvo en suspensin existente en la atmsfera y que llega a la superficie
terrestre en forma de rayos paralelos para poder ser concentrados.
Por lo tanto, este tipo de centrales para que sean viables slo tendrn sentido que se
instalen en lugares que reciban una gran cantidad de sol al ao. Especialmente son
propicias las regiones ridas y semiridas del planeta, donde la poca nubosidad no
interfiere en los valores de la radiacin directa.
Las regiones que cuentan con mejores condiciones atmosfricas para instalar centrales
termosolares son: Norte y Sur de frica, los pases mediterrneos, lugares desrticos de
la India y Pakistn, Oriente Prximo y Oriente Medio, partes de Brasil y Chile, Mxico,
la zona Sur-Oeste de Estados Unidos y Australia.
Segn el estudio de Greenpeace en 2009, Energa solar trmica de concentracin, las
zonas del planeta que cuenten con una cuota de irradiacin solar anual de al menos
2 000 kWh/m2ao. (Las mejores localizaciones para este tipo de plantas reciben ms de
2 800 kWh/m2ao) son adecuadas para la instalacin de una central con CCPs .La figura
2-5 muestra los distintos valores de irradiacin en el mundo.
Figura 2-5: Irradiacin solar mundial Para este proyecto, se parte de la premisa de que la parcela que se quiere utilizar como
localizacin de la planta termosolar est situada en la Regin de Murcia, y por lo tanto
no da lugar a debate sobre donde instalarla, sino ms bien, si su instalacin es
recomendable atendiendo a las caractersticas solares de ese emplazamiento en
concreto.
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9 Se va a llevar a cabo un estudio para poner de manifiesto que el emplazamiento es
adecuado.
Los datos de radiacin normal directa que a continuacin se van a presentar para el
emplazamiento se ha obtenido de la base de datos meteorolgicos de los que dispone la
NASA (www.eosweb.larc.nasa.gov)
En dicha base de datos, introduciendo los datos de longitud y latitud de un lugar
geogrfico se puede obtener toda clase de datos solares y atmosfricos, con un
interrvalo de tiempo que hace referencia a los ltimos 22 aos y de esta manera analizar
conforme a los criterios anteriormente nombrados que el emplazamiento es adecuado y
porqu.
La tabla 2-1 muestra los valores de radiacin normal en Torre Pacheco, Regin de
Murcia, cuya situacin geogrfica es 37 51 Latitud Norte y 1 6 Longitud Oeste.
Tabla 2-1: Radiacin normal directa en Torre Pacheco, Regin de Murcia.
FUENTE: Base de datos meteorolgicos NASA
Se observa que el resultado medio anual es de 5,68 kWh/m2da, para poder compararlo
con los criterios anteriores multiplicamos ese valor por 365 das obtenindose una
irradiacin solar anual de 2 073,2 kWh/m2ao, mayor que los 2 000 kWh/m2ao
requeridos, lo que hace que esta zona se considere como ptima desde el punto de
vista solar para la instalacin de una central termosolar.
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10 Por lo tanto queda justificado que la zona donde se dispone la parcela es totalmente apta
para el diseo de una planta termosolar como la que se quiere proyectar.
2.4 Geologa del terreno
El terreno que va a ser utilizado se encuentra dentro de la Hoja de Fuente lamo (37-
38), perteneciente en su totalidad a la provincia de Murcia, enmarcada dentro del
llamado Campo de Cartagena, que corresponde a la cuenca negeno-cuaternaria del Mar
Menor, situada sobre el dominio Btico.
En cuanto a posibles riesgos geolgicos que pueden surgir se tiene que:
Inundabilidad: En base al Mapa de Riesgos Geolgicos para Ordenacin Urbana
de Murcia, el rea estudiada se sita en una zona que no es potencialmente
inundable.
Estabilidad de laderas: El grado de peligrosidad por movimiento de laderas es
nulo.
Erosionabilidad: De acuerdo con el mapa de riesgos geolgicos la intensidad de
la erosionabilidad en el rea estudiada es dbil.
Por lo tanto queda justificado que la zona donde se dispone la parcela es totalmente apta
para el diseo de una planta termosolar desde el punto de vista geolgico.
2.5 Infraestructura y servicios.
La planta como ya se ha dicho anteriormente est situada en la Comunidad Autnoma
de Murcia cuenta con los siguientes accesos:
Por avin: Aeropuerto de San Javier (a 30 km aprox.).
Por tren: Estaciones de tren cercanas a la localizacin del proyecto como las de
Torre Pacheco o Corvera.
Por carretera: la planta solar se situar cerca de la interseccin entre la autova
de Murcia A-30 y la autova C-3319.
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11 Muy cercana a la planta se puede observar el recorrido en paralelo a la Autovia A-30 de
la lnea de 220 kV proveniente de la subestacin de San Javier II. En la actualidad, est
en fase de construccin, desde Octubre de 2011 una subestacin ms cercana a la planta,
en el trmino municipal de Torre Pacheco, llevada a cabo por Iberdrola, que servir
como punto para entregar la energa elctrica producida desde la planta termosolar.
2.6 Marco regulatorio espaol para el sector termoelctrico
Desde la puesta en marcha de las primeras centrales termoelctricas en Espaa, la
regulacin de estas ha pasado por diferentes etapas regidas por diferente regularizacin.
La tabla 2-2 muestra un breve esquema del marco regulatorio espaol para el sector
termoelctrico desde su creacin.
Tabla 2-2: Principal legislacin que aplica el sector de la energa termoelctrica
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12 Los aos 2009 y 2010 fueron dos aos de incertidumbre en el sector de las energas
renovables, y en concreto para la energa solar termoelctrica debido a la publicacin
del RD 6/2009, de 30 de abril, por el que se adoptan determinadas medidas en el sector
energtico, la aprobacin del PANER (Plan de Accin de Energas Renovables) 2011-
2020, la propuesta del Real Decreto por el que se regulan y modifican determinados
aspectos relativos al rgimen especial y el informe de la CNE a esta propuesta del Real
Decreto.
Finalmente, El pasado 23 de noviembre 2010 se public en el BOE el Real Decreto
1565/2010, por el que se regulan y modifican determinados aspectos relativos a la
actividad de produccin de energa elctrica en rgimen especial. Este RD, a pesar del
retraso acumulado tras ms de un ao de negociaciones con los diferentes sectores
implicados, fue bien acogido por el sector de la energa solar termoelctrica ya que se
avanza en la simplificacin administrativa, agilizando los procedimientos mediante la
utilizacin de medios electrnicos en la medida de lo posible. Adems, se introduce una
disposicin para instalaciones solares termoelctricas de carcter experimental e
innovador, para promocionar la I+D+i como pieza fundamental para conseguir el
objetivo de reduccin de costes.
Sin embargo, el RD publicado en noviembre dejaba sin definir algunos detalles del
nuevo rgimen econmico para las tecnologas elica y solar termoelctrica. Esto se
subsan en el Real Decreto 1614/2010 de 7 de diciembre en el que, en lo que atae al
sector solar termoelctrico, se acuerda lo siguiente:
Limitacin del nmero de horas equivalentes de funcionamiento con derecho a
prima de las instalaciones. Segn el punto tres del artculo numero dos des este
RD, las horas equivalentes de referencia para las instalaciones de tecnologa
solar termoelctrica sern las mostradas en la tabla 2-3.
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13
Tabla 2-3: Limitacin de horas equivalentes de funcionamiento con derecho a prima
2.7 Eleccin del tamao de la planta termosolar
En este caso en concreto, el tamao de la planta va a venir condicionado
fundamentalmente por la legislacin actual.
El gobierno espaol estableci en el RD 661/2007, de 25 de mayo un techo de 50 MW
para proyectos de concentracin solar, por encima del cual, no se aplicaran las tarifas
del rgimen especial. Sin estas tarifas sera muy difcil el desarrollo comercial de este
tipo de centrales en estos momentos.
Diferentes estudios apuntan a que el tamao ptimo para las plantas de concentracin
solar en Espaa asciende a 150 MW, aunque la experiencia tambin muestra que
mantener las instalaciones en tamaos ms bajos tiene sus ventajas.
En plantas cilindro parablicas, el aumento del tamao de las instalaciones, aparte del
incremento del coste de la planta, implicara tambin la necesidad de mayor aislamiento
para evitar prdidas de calor debido al aumento del tamao y por lo tanto de las
distancias.
Por lo tanto la planta de concentracin solar de colectores cilindro parablicos se
dimensionar para una potencia de 50 MW.
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14
3 Metodologa La metodologa seguida para llevar a cabo el presente proyecto se va a describir
mediante un breve resumen del trabajo realizado segn su orden cronolgico. Se divide
en cinco fases.
La primera fase ha sido el anlisis de la conveniencia de la localizacin de la parcela
origen para la instalacin de una planta termosolar en la misma. Esto se ha conseguido
teniendo en cuenta una serie de datos relacionados con la cantidad de energa solar que
se recibe en esa zona as como las caractersticas del terreno. Adems se ha establecido
la potencia de la planta.
Seguidamente, se han decidido los principales equipos que van a ser utilizados en la
central, tales como el tipo de colector, el fluido caloportador y el tubo absorbedor entre
otros, haciendo una comparacin entre ellos y determinando cual se ajusta mejor a la
planta que se disea en este proyecto y utilizando como referencia algunas de las plantas
de este tipo que ya estn en funcionamiento.
A continuacin, se han calculado los principales parmetros de la central termosolar,
tanto en lo que respecta al campo solar en s como a la central elctrica que le
acompaa, esto se ha hecho siguiendo mtodos de clculo que sern explicados en
captulos posteriores y de nuevo tomando como referencia plantas ya existentes.
Adems, se ha llevado a cabo un amplio estudio econmico con el objetivo de
confirmar la viabilidad del proyecto as como los aspectos econmicos ms
significativos.
Como quinto y ltimo paso, la obtencin de las conclusiones a partir de los resultados
obtenidos en las fases anteriores.
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4 Eleccin del CCP a emplear en la planta termosolar
El CCP es un tipo de colector de concentracin con foco lineal que est formado por
una serie de espejos cilindros parablicos que refleja la radiacin solar directa
concentrndola sobre un tubo absorbedor colocado en la lnea focal de la parbola. Esa
radiacin concentrada hace que el fluido que circula por el interior del tubo se caliente,
transformndose as en energa trmica.
Histricamente, cuatro han sido los colectores que se han utilizado en plantas de
similares caractersticas a las de este proyecto: colectores LS-2, LS-3, Solargenix y
colectores Eurotrough.
Hay que decir que los colectores LS-2 y LS-3, que pertenecan a la desaparecida
empresa Luz, ya no estn disponibles comercialmente, por lo que aunque se hace
referencia a ellos en este apartado, no se van a analizar y comparar con el resto de
colectores debido a la imposibilidad de instalacin, pero debido a la gran importancia
que tuvieron en el desarrollo de los CCPs ms actuales, como sus antecesores se ha
credo conveniente al menos nombrarlos.
Se vern los otros dos tipos de colectores nombrados anteriormente, el Solargenix y el
Eurotrough, ambos han demostrado una gran eficiencia en los proyectos en los que han
intervenido.
Tras la desaparicin de Luz, un consorcio de empresas y laboratorios de investigacin
europeos (Inabensa, Fichtner Solar, Flabeg Solar, SBP, Iberdrola, Ciemat DLR, Solel,
CRES), inici el desarrollo del diseo de un nuevo colector basndose en las
experiencias de los colectores Luz y con la intencin de aunar en l todos los
conocimientos adquiridos en el diseo del LS-2 y LS-3.
El colector Eurotrough utiliz un diseo de armazn soporte o torque box. Consiste
bsicamente en un armazn rectangular con brazos soporte, as consigue combinar una
mayor resistencia a la torsin con una menor cantidad de acero utilizado en su
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16 fabricacin. Menos componentes, menos costos, ms eficiente. El aspecto es el que se
muestra en la figura 4-1.
Figura 4-1: Filas de colectores SKAL-ET
La empresa Solargenix Energy apoyada por el departamento de energa de EE.UU. ha
desarrollado un nuevo colector cilindro parablico tambin de ltima generacin. La
estructura del colector de Solargenix est hecha de aluminio extruido y utiliza una
estructura de diseo espacial.
Las ventajas de este tipo de colector son que pesa menos que los de acero, requiere de
muy pocos elementos de fijacin, no necesita de una soldadura o fabricacin
especializada y se monta fcilmente. En la figura 4-2 se muestra su aspecto.
Figura 4-2: Parte de atrs de un colector Solargenix
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17 En la Tabla 4-1 se muestran las caractersticas principales de ambos colectores. Los
datos que se aportan corresponden a los modelos de ltima generacin dentro de cada
tipo de colector. Para el modelo Solargenix se dan las caractersticas del SGX-2, y para
el modelo Eurotrough se dan las caractersticas del SKAL-ET, dicho colector esta
fabricado por la empresa Flagsol.
Tabla 4-1: Comparativa entre colectores Solargenix y Eurotrough
El colector que se va a elegir para la planta termosolar va a ser el Eurotrough y ms
concretamente el modelo de ultima generacin SKAL-ET 150 de la empresa Flagsol.
Los puntos fuertes de este colector son:
La elevada rigidez del colector, y un rendimiento optico del 80% y le permite
operar en condiciones de viento mas desfavorables, aumentando su rendimiento,
apropiado debido a las ocasionales rachas de viento en esta zona.
Es un colector producido a gran escala, lo que hace que comercialmente tenga
un precio bastante competitivo 210 /m2aprox.
Permite su construccin en el mismo campo solar reduciendo as los costes de
fabricacin.
-
18
5 Eleccin del tubo absorbedor a emplear en la planta
El tubo absorbedor es uno de los elementos ms importantes que componen un colector
cilindro parablico, es en l donde la energa solar radiante se convierte en energa
trmica por lo que el rendimiento global del colector depende en gran medida de este
elemento.
Esquemticamente, los tubos absorbedores que se utilizan en las plantas termosolares
estn constituidos por dos tubos concntricos, uno interior metlico, por el que circula el
fluido caloportador, y otro exterior de vidrio. Esta configuracin es la que se observa en
la figura 5-1.
Figura 5-1: Tubo absorbedor Siemens uvac 2010
Es bsico que el tubo metlico cuente con un recubrimiento selectivo el cual le va a
conferir una elevada absortividad y una baja emisividad en el espectro infrarrojo, as se
consigue que los tubos absorbedores tengan elevados rendimientos trmicos.
El tubo de vidrio que rodea exteriormente al tubo metlico tiene una doble funcin: la
de reducir las prdidas trmicas por conveccin en el tubo metlico y la de proteger el
recubrimiento selectivo de las inclemencias meteorolgicas, para ello entre el tubo
metlico y el tubo de vidrio se hace el vaco. El tubo de cristal suele llevar tambin un
tratamiento antirreflexivo en sus dos caras, para aumentar su transmisividad a la
radiacin solar y consiguientemente, el rendimiento ptico del colector.
-
19 En la actualidad slo dos fabricantes suministran tubos absorbedores para los nuevos
proyectos de plantas termosolares comerciales, los dos son alemanes Siemens y Schott.
En la tabla 5-1 se muestran los dos modelos de tubos absorbedores de ltima generacin
que ofrecen cada una de estas dos marcas, el receptor Schott ptr 70 y el Siemens uvac
2010. Ambos incorporan los ltimos avances tecnolgicos proporcionados por la gran
experiencia acumulada por estas empresas en los ltimos aos en los distintos proyectos
termosolares en los que han participado.
Tabla 5-1: Comparativa entre tubos absorbedores de Schott y Siemens
Como se puede apreciar, las diferencias que existen entre ambos son mnimas, tanto a
nivel de diseo como a nivel de rendimiento trmico.
En ambos, los extremos del tubo de vidrio van soldados, mediante una soldadura
vidrio-metal, a un fuelle metlico que, a su vez, va soldado al tubo metlico.
De esta forma se logra que exista una cmara de vaco entre el tubo metlico y el de
vidrio, y al mismo tiempo se compensa la diferente dilatacin trmica de los tubos de
vidrio y metal mediante el fuelle metlico.
-
20 Los dos modelos utilizan recubrimientos selectivos tipo cermet en el tubo metalico
absorbedor, realizados mediante procesos de sputtering o PVD (Physical Vapour
Deposition).
El principal problema de la mayora de este tipo de recubrimientos es que se degradan
en contacto con el aire, de ah la necesidad de que exista una cmara de vaco entre el
tubo metlico y el tubo de vidrio.
Tambin cuentan con un recubrimiento antirreflexivo de alta resistencia al desgaste y
que al mismo tiempo permite una elevada transmisin de la radiacin solar.
Como se ha podido ver, cualquiera de los dos modelos de tubos absorbedores
analizados cumple perfectamente con los requisitos que se le exigen a un elemento tan
importante como este dentro de un colector cilindro parablico.
Para este proyecto se contar con el Schott ptr 70 porque a diferencia del modelo de
Siemens, este receptor se fabrica en Espaa, en la planta que la empresa tiene en el
Parque de Actividades Medioambientales de Andaluca (PAMA) y cuyo edificio se ve
en la figura 5-2 en Aznalcollar (Sevilla) y para el autor de este trabajo ello es razn
suficiente.
Figura 5-2: Planta de Schott en Aznalcllar (Sevilla)
-
21
6 Eleccin del tipo de fluido caloportador
El fluido caloportador que normalmente se emplea en las plantas termosolares de CCPs
actuales es el aceite sinttico Therminol VP-1. Hay abiertas unas lneas de investigacin
en el campo de las sales fundidas pero hasta el momento su alto punto de fusin, de
unos -142 C, obliga a disponer de resistencia elctricas en el interior de los tubos
absorbedores con la complejidad tcnica que ello conlleva.
Este aceite sinttico Therminol VP-1 trabaja bien hasta los 400 C aunque tiene el
problema que su punto de congelacin es de 12 C, lo que obliga a mantener todo el
circuito a una temperatura superior a ese valor, esto no suele ser un problema ya que la
energa auxiliar que se consume para ello es muy pequea, adems a altas temperaturas
se deber de presurizar para que no pase a fase vapor.
Todas las caractersticas de este aceite vienen detalladas en el Anexo C de
especificaciones pero las principales son las que se describen a continuacin:
Caloportador: aceite trmico operando entre 12 y 400 C Temperatura de entrada/salida del campo solar: 293/393 C Prdidas trmicas: 10 %
Para ver cul es la presin mnima a la que hay que mantenerlo, se recurre a las
especificaciones tcnicas para saber cul es su presin de vapor a la mxima
temperatura de trabajo (393 C) y aadirle unos 2 bar sobre ese valor para tener
suficiente seguridad de que en ningn momento se nos evaporare el aceite. En el caso
del aceite Therminol VP-1, su presin de vapor a 393 C es de 10 bar (segn
especificaciones), por lo que deber mantenerse presurizado a 12 bar como mnimo.
-
22
7 Diseo de la planta solar termoelctrica
La distribucin de la planta que se va a disear se muestra en la figura 7-1, procedente
del propio fabricante de los CCPs a utilizar, Flagsol.
Figura 7-1: Distribucin general de la planta solar termoelctrica
La planta que se va a disear consta de las siguientes partes:
Campo solar
Sistema de transferencia de calor
Bloque de potencia
7.1 Campo solar
El campo solar estar formado por los CCPs elegidos en el captulo 4, que son los
colectores de tipo Eurotrough en su modelo SKAL-ET 150 fabricados por Flagsol, junto
con los tubos absorbedores que se determinaron en el captulo 5, del fabricante Schott,
modelo PTR 70, adems del fluido caloportador que en este caso se determin que va a
ser el aceite sinttco Therminol PV-1.
-
23 7.1.1 Parmetros de partida para el dimensionamiento del campo solar
Para el dimensionado de una planta de potencia elctrica neta de 50 MW, utilizando la
informacin disponible de las plantas actuales en funcionamiento, el rendimiento
mximo del ciclo Rankine de una Central solar termoelctrica es del 38 %, por lo que la
potencia trmica que debe suministrar el campo solar es de:
50/0,38= 131,57 MWt
El punto de diseo se ha fijado al medio da solar del da 15 de junio, por lo que se debe
tener en cuenta que la potencia trmica til del campo solar en invierno va a ser mucho
menor que en el punto de diseo
Para fijar las temperaturas que debe tener el aceite a la entrada y salida del campo solar,
se debe tener en cuenta el ciclo Rankine y el sistema de intercambio de calor aceite/agua
de la central, por lo que dichas temperaturas a la entrada y salida del campo se fijan con
un salto trmico de 100C, es decir:
Tin= 293 C
Tout=393 C
Las coordenadas geogrficas, el valor del ngulo de incidencia y del modificador por
ngulo de incidencia al medioda solar del 15 de Junio en la ubicacin de la planta, son:
Latitud: 3751 98 N
Longitud: 16 10 W
Angulo de incidencia () =17,85.
Modificador por ngulo de incidencia (K)= 0,994
Como valor de diseo para la radiacin solar directa tomamos 820 W/m2, que es el
valor obtenido medio a las 12 horas solar del mes de junio en el lugar de ubicacin de la
-
24 central. Valor obtenido de la base de datos meteorolgicos de la NASA. Para la
temperatura ambiente se asigna un valor de 27,5 C correspondiente a la media de
temperaturas a las 12 horas solar de Junio entre los aos 2007 y 2011 segn la Agencia
Estatal de Meteorologia (AEMET).
Adems se tienen los siguientes valores de diseo correspondiente a las caractersticas
tcnicas del colector y del tubo absordedor en la tabla 7-1, para ms informacin ver
Anexo C.
Tabla 7-1: Principales caractersticas del colector
Area aperturura del Colector (m2) 817,5
Longitud del tubo absorbedor (m) 148,5
ext Tubo absorbedor (m) 0,07
Factor interceptancia experimental tubo absorbedor 0,99
Transmisividad cubierta tubo absorbedor 0,92
Absortividad tubo absorbedor 0,95
Reflectancia superficie 0,94
Factor ensuciamiento 0,98
Rendimiento trmico 0,96
7.1.2 Caudal de aceite Therminol VP-1 por fila de CCP
El caudal de aceite por cada fila de colectores en el punto de diseo ha de hacerse
buscando que el valor del nmero de Reynolds sea siempre suficientemente elevado
como para que se garantice una buena transferencia de calor en el interior del tubo
absorbedor (rgimen turbulento completamente desarrollado). Para ello, se adopta
un valor de 1,5x105 como valor del nmero de Reynolds en el caso ms desfavorable. El
caso ms desfavorable que se estima es el invierno, que es cuando el caudal de aceite
llega a ser slo un 23% el del verano, segn experiencias en otras centrales
termoelctricas debido a la menor radiacin solar disponible en esa poca del ao para
colectores con su eje orientado Norte-Sur. As pues:
-
25
=
Donde
= Viscosidad dinmica del fluido, expresada en kg/m.s
V = velocidad del fluido expresada en m/s
D = Dimetro interior de los tubos absorbedores, expresado en m
= densidad del aceite, expresada en kg/m3
Para la determinacin de los parmetros del aceite durante la fase de pre-diseo del
campo solar es necesario adoptar una temperatura media, que en este caso es:
(293 + 393) /2 = 343 C
Si consideramos este valor medio de la temperatura del aceite en el campo solar, la
viscosidad dinmica, "", es de 1,82610-4 Pas o kg/ms segn tabla de especificaciones
tcnicas del aceite (ver Anexo C) y la densidad, , de 766,7 kg/m3.
Puesto que el dimetro interior del tubo absorbedor de un colector Eurotrough es de 65
mm, se puede despejar en la ecuacin la velocidad mnima que ha de tener el aceite
dentro del tubo absorbente:
=
= 6,52 10 1,826 10
766,7 0,065 = 2,389/
Conociendo todos los parmetros precedentes, se obtiene el caudal msico a travs de la
siguiente ecuacin:
=
-
26 Donde
M = caudal msico, expresada en kg/s
St = seccin transversal de los tubos absorbedores, expresada en m2
Puesto que la densidad del aceite a 343 C es de 766,7 kg/m3 y el tubo absorbente tiene
una seccin transversal de 33,1810-4 m2, el caudal msico para la velocidad dada es:
= 2,389 33,18 10 766,7 = 6,079 !/
7.1.3 Incremento de temperatura del aceite por colector
Se calcula cual es el incremento de temperatura que puede alcanzar el aceite en el
colector Eurotrough bajo las condiciones de diseo Para ello, primero hay que
determinar las prdidas trmicas que van a tener lugar en el colector. El coeficiente
global de prdidas trmicas viene dado por la ecuacin:
"#)%&' = ( + * +,%&' ,%.&) + / +,%&' ,%.&)0
Donde:
UL)abs = Coeficiente global de prdidas trmicas, expresado en W/m2abs C
El valor de los coeficientes "a", "b" y "c" de la ecuacin para una temperatura de trabajo
del aceite igual o superior a 300C son: 2,8954; -0,0164 y 0,000065 respectivamente, de
acuerdo con las tabla calculadas por el CIEMAT para el colector Eurotrough. Con lo
que de la ecuacin se obtiene un valor de:
"#)%&' = 2,895 0,016 +343 27,5) + 0,000065 +353 27,5)0
= 4,317 20(*4
-
27 Puesto que el rea total del tubo absorbente de un colector Eurotrough, cuya longitud es
de 148,5 m, es de 32,65 m2, las prdidas trmicas en el colector cuya temperatura media
del aceite es de 343C sern:
567'' ="#)%&' 8%&' +,%&' ,%.&)
Donde:
Qloss = Prdidas trmicas en el colector, expresada en W
567'' = 4,317 32,65 +343 27,5) = 44470,9382
El rea total de espejos de los mdulos cilindro-parablicos que componen un colector
Eurotrough es de 817,5 m2 de acuerdo con los datos del fabricante
y la ecuacin de la energa solar incidente sobre el colector es:
59: = 8; < cos+@)
Donde:
Qsol =Energa solar incidente en el colector expresada en W
Ac = Area de apertura del colector, expresada en m2
I = Radiacin global directa, expresada en W/m2
= ngulo de incidencia, expresada en
La energa solar disponible en la apertura del colector Eurotrough es de:
5'76 = 817,5 820 cos+17,85) = 362442,1112
Por otro lado, el modificador por ngulo de incidencia, K, considera todas las prdidas
pticas y geomtricas que tienen lugar en el colector para un ngulo de incidencia
(prdidas geomtricas de final de colector, bloqueo de la radiacin concentrada por
parte de los soportes del tubo absorbente, y en la reflectividad de los espejos).
-
28 El modificador por ngulo de incidencia, K, depende directamente del ngulo de
incidencia, siendo el valor K una funcin que se determina experimentalmente. (para
ms detalles del clculo de este parmetro consultar Anexo A y cuyo valor en este caso
es 0,994
Ahora se calcula la potencia trmica til que suministra un colector Eurotrough bajo las
condiciones de diseo que se han establecido. Para ello se utiliza la ecuacin siguiente
estableciendo un factor de ensuciamiento de 0,98:
5BC6 = 8; < cos+) 7FB G HI JBK 567'' Donde:
Qutil = Potencia trmica til, expresada en W
7FB= Rendimiento ptico Fe = Factor de ensuciamiento
JBK = Rendimiento trmico del colector
Sustituyendo:
5BC6 = 817,5 820 cos+17,85) 0,86526 0,994 0,98 0,96 44470,938= 471833,722
Como, por otro lado, la potencia trmica til se invierte en aumentar la entalpa del
aceite, se tiene la ecuacin:
5LBC6 = +7LB CN) = P
Si se expresa el incremento de entalpa, en funcin del calor especifico del aceite, cuya
frmula viene dada por el fabricante (ver anexo A) y se integra entre las temperaturas de
salida y de entrada en el colector, se obtienen las frmulas:
471,833 = 6,079 +1,479 ,7LB + 0,0014 ,7LB0 553)
-
29 Resolviendo la ecuacin de segundo grado se obtiene:
,7LB = 335,24
Por consiguiente, el incremento de temperatura en un colector es de:
335,2-293 = 42,2 C
7.1.4 Nmero de colectores en cada fila
Puesto que se desea tener un salto total de 100 C en cada fila de colectores, y en un
colector se consigue un incremento de 42,2 C, el nmero de colectores a conectar en
serie dentro de cada fila es:
100/42,2 = 2,4colectores
A la vista del n obtenido, en principio sera conveniente colocar 3 colectores por fila,
sin embargo, desde el punto de vista constructivo, es conveniente elegir un nmero par
de colectores, para que las filas se puedan disponer en forma de U y adoptar una
configuracin del tipo alimentacin central para las tuberas del campo de colectores.
As pues, se deja en 4 el nmero de colectores conectados en serie dentro de cada fila.
Como hemos aumentado el nmero de colectores desde 2,4 a 4, el caudal de aceite por
fila tiene que ser aumentado en la misma proporcin, de modo que el nuevo caudal de
aceite que debe circular por cada fila de tres colectores es:
6,079 (4/2,4)= 10,261 Kg/s
Con este caudal de aceite la velocidad del fluido, V, se eleva hasta 4,03 m/s dando el
caudal msico M, de 10,261 kg/s por cada 4 colectores.
Con este caudal de aceite por fila se obtiene un nmero de Reynolds (1,1106) incluso
superior al inicialmente previsto, por lo que no se pone en peligro una buena
transferencia de calor en los tubos absorbedores.
-
30 7.1.5 Nmero de lazos de la planta termoelctrica
La potencia trmica til que suministrar cada fila en el punto de diseo ser:
4 471,833 kWt = 1 887,334 kWt
La planta, como se ha mencionado en los parmetros de partida, se disea para una
potencia trmica de 131,578 MWt.
Llegado a este punto de los clculos, se hace indispensable explicar el concepto de
Multiplo Solar.
El mltiplo solar es un concepto especfico de las centrales termoelctrica, y se define
como el cociente entre la potencia trmica til que proporciona el receptor solar en
condiciones de diseo respecto a la potencia trmica que requiere el ciclo de potencia en
condiciones normales de funcionamiento. Es decir:
Q = RSRT Donde:
SM: Multiplo Solar
PR: Potencia trmica til en condiciones de diseo, expresada en W
PD= Potencia trmica del ciclo, expresada en W
Como es lgico, no siempre se va a contar con esas condiciones de radiacin solar tan
beneficiosas, por lo que se hace necesario sobredimensionar el campo solar, para que el
bloque de potencia trabaje a pleno rendimiento ms horas (sino trabajara a plena carga
muy poco tiempo), aunque esto conlleve el desperdicio de algo de energa en das con
condiciones solares perfectas.
Se recurre al programa informtico SAM para la obtencin del valor ptimo del
Mltiplo Solar.
-
31
Datos de partida:
Tamao de la planta 50 MW.
El 15% de la electricidad generada por la central se consigue a partir de la
combustin de gas natural.
Los parmetros utilizados en la simulacin se muestran en la tabla 7-2 as como el
resultado de esta simulacin en la figura 7-2.
Tabla 7-2: Horas de almacenamiento y SM en la simulacin
Figura 7-2: Optimizacin SM en funcin del almacenamiento y del coste de la energa.
Como se observa en la grafica, para un sistema de colectores cilindro parablicos sin
almacenamiento (horas del TES = 0), el coste optimo normalizado de la energa se
produce aproximadamente a un mltiplo solar de 1,25. Debido a que sino el sistema
solo funciona en su punto de diseo (mltiplo solar uno) muy pocas horas al ao.
-
32 Sobredimensionar el sistema (mltiplos solares mayores que uno) le permite a este
operar cerca del punto de diseo ms horas al ao. Un sistema con un campo solar de
gran tamao produce ms electricidad, reduciendo as el coste normalizado de la
energa. Esto ocurre hasta cierto punto, donde el mayor costo de la instalacin supera el
beneficio de la produccin ms alta de energa.
Teniendo en cuenta esto, para el caso del presente proyecto se tiene que la potencia
trmica necesaria estar influida por un coeficiente SM de 1,25:
131,571 MWt 1,25=164,473 MWt
Para la obtencin del nmero de lazos bastara con hallar el cociente entre la potencia
trmica requerida y la potencia trmica til que suministra cada fila de colectores, de la
siguiente forma:
164,144/1,887=87,14 lazos
De esta manera, se establece que el campo solar estar formado por 88 lazos de 4
colectores cada uno.
Teniendo en cuenta que el rea de cada colector es de 817,5 m2, se estable la extensin
del campo solar:
884817,5=287 760 m2
7.1.6 Calculo del rendimiento del campo solar
El rendimiento del campo solar es el producto de una serie de factores, y para su clculo
habr que tener en cuenta las posibles prdidas que surjan en el mismo, principalmente
pticas y prdidas trmicas, adems de otros factores que intervendrn y que se irn
desglosando en los siguientes apartados.
J;,'76%U = H J7FB.FC;7 G+@) JWK
-
33 Donde:
: Reflectividad de la superficie
F: Factor de ensuciamiento
optico= Rendimiento ptico pico.
K(@): Modificador por angulo de incidencia Th : Rendimiento trmico
Las prdidas pticas del colector son debidas a que ni la superficie reflexiva del
concentrador es un reflector perfecto, ni el vidrio que cubre al tubo absorbente metlico
es totalmente transparente, ni la superficie selectiva del tubo metlico es un absorbente
perfecto, ni la geometra del concentrador parablico es perfecta. Por lo tanto, la suma
de todas estas imperfecciones provoca que solo una parte de la radiacin solar directa
que incide sobre la superficie del concentrador parablico llegue al fluido que circula
por el interior del tubo absorbente. En la figura 7-3 vienen reprentadas las diferentes
prdidas.
Figura 7-3: Balance de prdidas pticas
De las caractersticas del colector Eurotrough, se sabe que su rendimiento ptico pico se
calcula como:
J7FBF = X Y Z
Donde:
= Factor de intercepcin
-
34 Y= Transmisividad de la cubierta del tubo absorbedor =Absortividad de la superficie selectiva del tubo absorbedor
El factor de intercepcin indica la eficiencia de los rayos de sol que van al tubo, ya
que una fraccin de la radiacin solar reflejada por los espejos no alcanza la cubierta de
cristal del tubo absorbedor debido a diferentes causas, como imperfecciones
microscpicas o macroscpicas de los espejos, o errores de posicionamiento del
colector.
Estas imperfecciones y los posibles errores de seguimiento solar provocan que algunos
rayos no intercepten al tubo absorbente durante su trayectoria despus de ser reflejados.
En el caso de esta central se ha asignado un factor de interceptacin experimental de
0,99.
El tubo absorbedor metlico est situado dentro de una cubierta de cristal para disminuir
las prdidas trmicas y proteger a la superficie selectiva. Una fraccin de la radiacin
solar reflejada por los espejos y que alcanza la cubierta de cristal del tubo absorbedor no
es capaz de atravesarlo. La razn entre radiacin que pasa a travs de la cubierta de
cristal y la radiacin total incidente sobre ella da la transmisividad de dicha cubierta de
vidrio.
Segn la informacin proporcionada por el fabricante de tubos Schott, la transmisividad
Y de la cubierta de cristal de su tubo absorbedor es de 0,92.
La absortividad de la superficie selectiva, cuantifica la cantidad de radiacin incidente
sobre la superficie selectiva que sta puede absorber. Segn la informacin del
fabricante, la absortividad de sus tubos es de 0,95.
As pues, las perdidas pticas pico del sistema tendrn el siguiente valor:
[\]\ = 0,99 0,92 0,95 = 0,865 Adems, se tiene que el coeficiente indica la reflectividad de la superficie del colector
parablico. Las superficies reflexivas de los colectores no son perfectas, por lo que solo
-
35 parte de la radiacin incidente se refleja. Los valores de reflectividad disminuyen
progresivamente conforme aumenta la suciedad en la superficie del colector, para el
Eurotrough se considerara:
= 0,94
El factor de ensuciamiento de los colectores habr que tenerlo en cuenta adems para el
clculo del rendimiento total. En este caso, se ha supuesto un factor de ensuciamiento
del 0,98.
Por otro lado, el modificador por ngulo de incidencia, K, considera todas las prdidas
pticas y geomtricas que tienen lugar en el colector para un ngulo de incidencia.
K=0,994
El valor de las prdidas trmicas que tiene lugar en el tubo absorbedor segn el
fabricante es de:
Th = 0,96
Una vez descritos los parmetros que intervienen en el clculo del rendimiento global
del campo solar, el producto de todos ellos es el siguiente:
J;,'76%U = H J7FB.FC;7 G+^) JWK
J;,'76%U = 0,94 0,98 0,865 0,994 0,96 = 0,76
J;,'76%U = 76%
-
36 7.2 Sistema de transferencia de calor y bloque de potencia
7.2.1 Descripcin del ciclo agua- vapor
El ciclo aqu diseado tiene algunas particularidades derivadas de las condiciones que
supone una planta de colectores cilindro-parablico.
El factor fundamental es la baja temperatura del vapor vivo en comparacin con ciclos
termodinmicos basados en otros combustibles.
Los aceites trmicos disponibles tienen un lmite superior de temperatura ligeramente
inferior a 400 C. Teniendo en cuenta las perdidas en las conducciones y las
fluctuaciones de funcionamiento se ha considerado una temperatura del vapor vivo de
377 C. S se toma como presin de diseo 100 bar, resultar que aproximadamente a 20
bar se atraviesa la curva de saturacin del diagrama de Mollier. El ciclo de agua vapor
que se va a implantar es el que se observa en la figura 7-4.
Figura 7-4: Diagrama del ciclo agua-vapor
-
37 Aunque la potencia de la planta no es muy alta, ser adecuado platear un ciclo
regenerativo con dos cuerpos de turbina diferenciados: uno de alta y otro de baja
presin, realizndose un recalentamiento intermedio.
El vapor extrado de la turbina de alta, se enva al recalentador, el cual utilizado como
fluido calefactor una porcin del aceite trmico en las mismas condiciones de
temperatura del que fue enviado al sobrecalentador.
De esta manera, el vapor recalentado alcanza un valor trmico similar al que se obtiene
a la salida del sobrecalentador: 379 C, pero a una presin de 16 bares.
En la turbina de baja se realizar una nueva extraccin para precalentar el condensado y
optimizar el rendimiento termodinmico.
Por lo tanto, las caractersticas principales de caudal, temperatura y presin a la entrada
y salida de cada uno de los equipos que forman el sistema de generacin de vapor
referente al lado del fluido trmico como de la turbina de vapor para el caso de
funcionamiento al 100% de su capacidad son las que vienen indicadas en la tabla 7-3.
Tabla 7-3: Caractersticas principales del fluido trmico Lado fluido Trmico
Caudal Entrada Salida
(kg/s) Temp. (C)
(C)
Presin (bar)
(bar)
Temp. (C)
Presin (bar)
(bar) Precalentador 236 317 12 299 11,5
Vaporizador 236 380 13,9 317 12
Sobrecalentador 236 395 14,4 380 13,9
Recalentador 29,5 395 14,4 255 11,5
Por otro lado, la tabla 7-4 indicas las caractersticas principales del lado de agua-vapor
en el sistema.
-
38
Tabla 7-4: Caractersticas principales del sistema agua-vapor Lado Agua- vapor
Caudal Entrada Salida
(kg/s) Temp.(C) Presin(bar) Temp.(C) Presin(bar)
Precalentador 52,77 247 115 315 110
Vaporizador 52,77 315 110 315 105
Sobrecalentador 52,77 315 105 377 100
Recalentador 44,44 208 18,4 379 16
Precalentador
(lado de
v.extraccin)
5,55 175 3 120 3
Precalentador
(lado de
condensacin)
38,88 75,4 8 154,96 8
Los valores de presiones y temperatura de entrada y salida tanto de la parte de vapor
como del aceite del intercambiador se han tomado de las existentes en plantas de este
tipo actualmente en funcionamiento, como las ltimas SEGS de EEUU o la planta de
Andasol, que servirn como referencia real para realizar los clculos de entalpas y
entropas para obtener el rendimiento termodinmico del ciclo.
Se han considerado las siguientes hiptesis:
El rendimiento isentrpico se define como el cociente entre el trabajo en el
proceso real y el trabajo en el proceso reversible o isentrpico. De tal manera
que el cociente entre ambos siempre resultara
-
39 Wreal= Trabajo real, expresado en J
Wisentrop= Trabajo Isentrpico, expresado en J
Los intercambiadores de calor de la instalacin tanto los que proceden del
circuito HTF como el condensador se comportan internamente de forma
reversible
La vlvula que lleva parte del vapor del recalentador al desgasificador tiene un
comportamiento ideal.
7.2.2 Anlisis de la turbina de Alta
Para realizar el balance energtico de la turbina se ha tomado como dato de caudal del
fluido a la entrada de la turbina unos 190 000 kg/h, que es el caudal aproximado que
suelen utilizar las turbinas de Siemens, mientras que el caudal de la turbina de baja ser
de 160 000 kg/h, ya que habr que tener en cuenta el valor del caudal de aporte al
desgasificador.
Los datos de presin y de temperatura a la entrada de la turbina son los siguientes:
P= 100 bar
T=377 C
Los datos de entalpia y entropa necesarios se encuentran en las tablas de vapor
sobrecalentado (ver anexo B). Al no tener el valor exacto de temperatura requerida en la
tabla, se obtendrn los datos de entalpa y entropa deseados, interpolando entre 360 y
400 C.
m = mn + opqprsqsrt +u un)
= 2962,1 + v3096,5 2962,1400 360 w +377 360)
-
40
= 6,006 + v6,212 6,006400 360 w +377 360) h4= 3 019,22 kJ/kg
s4= 6,0935 kJ/Kgk
A continuacin, se hace una extraccin a la presin y temperatura fijada por el
recalentador:
P= 18,4 bar
T=208 C
A esta presin, el fluido se encuentra en la zona del liquido saturado, por lo tanto se
utilizan las tablas de lquido saturado (ver Anexo B). Este caso se calcula de la misma
manera que el anterior.
6 = 844,84 + v908,79 844,8420 15 w +18,4 15)
x = 2792,2 + v2 799,5 2 792,220 15 w (18,4 15)
hl= 888,326 kJ/kg y hv= 2 797,31 kJ/kg
6 = 2,3150 + v2,4474 2,315020 15 w (18,4 15)
x = 6,4448 + v6,3409 6,44820 15 w (18,4 15)
sl= 2,4050 kJ/kgK y sv=6,374 kJ/kgK
-
41 Si se tiene en cuenta la premisa de expansin isentrpica hasta la presin fijada por el
recalentador, se obtiene s5s, que posteriormente se usar para calcular la entalpa y
entropa reales teniendo en cuenta el rendimiento isentrpico:
s4=s5s= 6,09355 kJ/kgK
Con este valor de entropa se calcula el ttulo o cantidad de vapor saturado existente en
la mezcla ideal y se obtiene el ttulo:
6,09355 = 6(1 u) + x u = 2,4050 (1 u) + 6,3741 u
x= 0,93
Donde:
sl= Entropa del lquido saturado, expresada en kJ/kgK
sv=Entropa del vapor saturado, expresada en kJ/kgK
x: Ttulo cantidad de vapor en la mezcla
' = 6 (1 u) + x u
' = 888,326 (1 0,93) + 2797,31 0,93
Donde:
hl= Entalpa del lquido saturado, expresada en kJ/kg
hv=Entalpa del vapor saturado, expresada en kJ/kg
' = 2662,376 y/ !
Conocida la hiptesis inicial de rendimiento isentrpico en la turbina de 0,85, se
calculan a continuacin los valores de entalpa, entropa y titulo para la turbina real.
-
42
Ja'INB = ' = 0,85
= + ' J = 3 019,22 + v2 662,376 3 019,22
0,85 w
h5=2 599,4 kJ/kg
Donde:
h5s: Entalpa del punto 5 ideal, expresada en kJ/kg
h5: Entalpa del punto 5 real, expresada en kJ/kg
isent: Rendimiento isentrpico
= 2 599,40 = 6 (1 u) + x u = 888,326 (1 u) + 2 797,31 u
x=0,8963
= 6 (1 u) + x u = 2,4050 (1 0,8963) + 6,3741 0,8963
s5=5,9626 kJ/ kgK
7.2.3 Anlisis del recalentador
Los valores del recalentador calculados en el apartado anterior son los siguientes:
P5=18,4 bar
T5=208C
h5=2 599,4 Kj/kg
x5=0,8963
s5=5,926 Kj/kg
-
43 A la salida del mismo, el fluido ha aumentado de nuevo su temperatura hasta 379 C
mientras que ha disminuido ligeramente su presin, por lo tanto est de nuevo en la fase
de vapor sobrecalentado. Para los valores de presin y temperatura de salida, se mira en
las tablas correspondientes:
P6=16 bar
T6=379 C
En este caso como en los anteriores, habr que interpolar al no disponer de los valores
correspondientes a la temperatura del recalentador.
z = 3145,4 + v3245,2 3145,4400 350 w +379 350)
z = 7,0694 + v7,2374 7,0694400 350 w +379 350)
z = 3208,5 y/ !
z = 7,1668 y/ !
7.2.4 Anlisis de la Turbina de Baja En la turbina de baja se realizar la expansin isentrpica del fluido hasta el valor de la
presin del condensador.
Los valores de entrada a la turbina de baja son los calculados para la salida del
recalentador, mientras que a la salida de la misma se realizaron dos extracciones del
fluido:
En el cuerpo medio de la turbina se realizar una extraccin de vapor que ir a
parar al precalentador, aumentando de esta manera el calor del fluido
condensado y el rendimiento del ciclo. Este aporte de vapor al precalentador
tendr un caudal de 30 000 kg/h, extrados del total que circula por la turbina.
-
44
En el cuerpo final de la turbina el fluido en forma de mezcla es enviado al
condensador, donde se producir la condensacin del vapor en agua y vuelta a
empezar el ciclo del vapor. El caudal que sale de la turbina en total es igual a
130 000kg/h.
Los valores de entrada a la turbina de baja son:
P6=16 bar
T6= 379C
h6=3 208,5 Kj/kg
s6=7,1668 Kj/kgK
Extraccin del cuerpo medio de la Turbina de Baja:La extraccin de vapor del
cuerpo medio de la turbina se realiza a la siguiente presin y temperatura:
P11= 3bar
T11=175C
Por lo tanto el vapor de extraccin es un vapor sobrecalentado, y sus valores de entalpa
y entrepa ideales se podrn obtener interpolando:
nn' = 2782,3 + v2865,3 2872,3200 160 w +175 160)
nn' = 7,1276 + v7,3115 7,1276200 160 w +175 160)
Para el clculo de los elementos reales, se usa de nuevo el valor del rendimiento
isentrpico.
nn = z + vnn' zJ w = 3208,5 + v2813,48 3208,5
0,85 w
-
45
nn = 2743,77 y/ !
Para calcular la entropa real a la salida de la extraccin de vapor de la turbina de baja,
se interpola el valor de la entropa obtenido con respecto a su superior e inferior.
nn = 6,9919 + v 7,1276 6,99192728,3 2725,3w +2743,7 2725,3)
nn = 7,035 y ! G
Extraccin final de la turbina de baja: La extraccin del fluido expandido en la
turbina con direccin al condensador, se producir en los siguientes valores:
P7= 0,08 bar
T7= 41,5C
Por lo tanto el fluido se encuentra en la zona de lquido saturado, con un contenido
porcentual en vapor que se halla teniendo en cuenta la hiptesis ideal de expansin
isentrpica.
z = {' = 7,1668 y ! G
Con este valor de entropa se calcula el ttulo o cantidad de vapor saturado existente en
la mezcla ideal (con los valores de la tabla de liquido saturado).
7,1668 = 6 +1 u) + x u = 0,5926 +1 u) + 8,2287 u
u = 0,8609
Conociendo este valor del titulo, se obtiene:
-
46
{' = 6 (1 u) + x u = 173,88 (1 0,8609) + 2577 0,8609
{' = 2242,726 y/ !
Conocida la hiptesis inicial de rendimiento isntrpico en la turbina igual a 0,85; se
obtienen a continuacin los valores de entalpa, entropa y ttulo para la turbina real.
JC'INB = v{' z{ z w = 0,85
{ = v{' zJ w = 3208,5 + v
2242,726 3208,50,85 w
{ = 2072,41 y/ !
{ = 20742,41 = 6 +1 u) + x u = 173,88 +1 u) + 2577 u
u = 0,79
{ = 6 +1 u) + x u = 0,5926 +1 0,79) + 8,2287 0,79
{ = 6,625 y/ !
7.2.5 Anlisis del condensador El vapor expandido que sale de la turbina de baja entra en el condensador con los
siguientes valores iniciales.
P7=0,08 bar
T7= 41,51C
h7=2072,41 kJ/kg
x7=0,79
s7=6,625 kJ/kgK
Despus de pasar por los tubos del condensador, este vapor en forma de mezcla que
compone el fluido se condensar por completo, pasando a agua lquida, por lo que sus
-
47 datos de entropa y entalpa se podrn obtener directamente de la tabla de lquido
saturado.
h8=173,88 kJ/kg
x8=0
s8=0,5926 kJ/kgK
7.2.6 Anlisis de las Bombas de Condensado
A la salida del condensador se sitan las bombas de condensado, las cuales aseguran el
paso de agua saturada hacia el precalentador y desgasificador, haciendo que el agua
pase de agua saturada a lquido comprimido. Para el clculo de este lquido se usarn las
ecuaciones de lquido ideal:
| = 4 |, + } |~ = 4 |, + R
= ' = 0,5926 y ! G
Donde:
C: Calor especfico, expresado en kJ/kgK
}= Volumen especfico, expresado en m3/kg = Densidad del lquido, expresada en kg/m3
Si se supone adiabtico este proceso de compresin, se puede hallar el valor de la
entalpa ideal de las bombas de condensado:
P8= 0,08 bar T8=41,5 C
P9=8 bar T9=41,5 C
| = R
-
48
h9s=174,673 kJ/kg
Teniendo en cuenta la hiptesis del 85% de rendimiento isentrpico en bombas y
turbina de la central, la entalpa real ser:
= + v' J w
173,88 + on{,z{0n{,, t
= 174,81 y/ !
7.2.7 Anlisis del precalentador Al precalentador llegan dos tipos de fluidos: por un lado el vapor de extraccin que
procede del cuerpo medio de la turbina, el cual viene con alto poder calorfico y una
presin media, y por otro lado el fluido del condensado y comprimido por las bombas
de condensado. Estos fluidos no se llegan a mezclar an en el precalentador, nicamente
intercambiaran calor. Por lo tanto habr que realizar los dos volmenes de control:
Condensado:
P10= 8 bar
T10=154,96C
h10=648,79 kJ/kg
Vapor de extraccin:
P12= 3 bar
T12=120C
h12=502,42 kJ/kg
-
49 7.2.8 Anlisis del Desgasificador
Al desgasificador llegan tres flujos distintos de lquido: el vapor procedente del bypass
de turbina de alta, el extrado en el cuerpo medio de la turbina de baja, y el de
condensacin, y en l se mezclan para eliminar el contenido en oxgeno y otros gases
que pueden generar corrosin en los componentes del ciclo, estos flujos se mezclan cada
uno a una presin y entalpa distinta para producir un conjunto en forma de lquido
saturado que se dirigir a las bombas de agua de alimentacin. Se hace el balance de
materia:
n = &pF%'' + x%F7U;7N n + x%F7UIsBU%; n0
Donde:
: Caudal total de la instalacin, expresado en kg/s bypass: Caudal de vapor de condensacin, expresado en kg/s vaporextrac: Caudal de vapor de extraccin, expresado en kg/s vaporcond: Caudal de vapor de condensacin, expresado en kg/s
Por lo tanto:
n = v44,44 2 599,4 + 38,88 648,79 + 5,55 502,4252,77 w
n = 941,18 y/ !
Para obtener el valor de la entropa habr que ver que contenido de vapor que tiene la
mezcla que se obtiene a la salida del desgasificador a la presin de salida del mismo,
que ser de 8 bares.
n = 941,18 = 6 (1 u) + x u = 721,11 (1 u) + 2 048 u
u = 0,165
-
50
n = 6 (1 u) + x u = 2,0462 (1 u) + 6,6628 u
n = 2,812 G 7.2.9 Anlisis de las Bombas de Agua de alimentacin Las bombas de agua de alimentacin impulsan el fluido de nuevo para recorrer el ciclo
de potencia, sus valores de entrada sern los siguientes:
P13=8 bar
T13= 170,4 C
h13=941,18 kJ/kg
s13=2,812 kJ/kgK
x=0,165
La bomba realiza una compresin adiabtica y reversible en el caso idea, que lleva al
fluido hasta la presin requerida a la entrada del precalentador del intercambiador de
calor, es decir a 115 bares. Por lo tanto, sus valores de entalpa y entropa sern los
siguientes:
| = 4 |, + } |~ = 4 |, + |~
| = |~
n = n' = 2,812 y ! G
n' = 951,88 y/ !
-
51 Con la hiptesis del 85% de rendimiento isentrpico en bombas se hallan sus valores
reales:
n = n + vn' nJ w = 941,18 + v951,88 941,185
0,85 w
6 = 953,768 y/ !
7.2.10 Anlisis del intercambiador de calor Se analiza el intercambiador de calor como si fuera un nico volumen de control, ya que
lo que realmente interesa es la entalpa del fluido a la entrada de la turbina para poder
calcular el rendimiento del ciclo, ms all de los valores intermedios de presiones y
temperaturas.
P1=115 bar
T1= 247 C
h1=953,768 kJ/kg
s1s=2,812 kJ/kgK
Despus de pasar por las distintas etapas del intercambiador de calor, a la salida del
sobrecalentador, el fluido se encuentra en forma de vapor sobrecalentado, ha disminuido
su presin y aumentado su temperatura debido al intercambio de calor con el fluido
trmico HTF.
P4= 100 bar
T4=377 C
Al no disponer del valor exacto de temperatura en las tablas habr que interpolar para
hallar los valores buscados a la temperatura de salida del sobrecalentador.
= 2962,1 + v3096,5 2962,1400 360 w
-
52
= 6,006 + v6,2120 6,006400 360 w
= 3019,22 y/ !
= 6,09355 y ! G 7.2.11 Clculo de potencias
A continuacin para los caudales supuestos inicialmente se caculan las diferentes
potencias trmicas y mecnicas que se obtienen en el circuito de agua-vapor.
= 190 000kg/h=52,77kg/s
bypass =30 000kg/h=8,33 kg/s
recal =160 000kg/h=44,44 kg/s
vaporcond =140 000kg/h= 38,88 kg/s
vaporextrac = 20 000kg/h=5,55kg/s 2 BLU&.%6B= (h4-h5) =52,77(3 019,22-2 599,40)= 22,157 MW 5I;%6INB = real (h6-h5) =44,44(3 208,5-2 599,40)=27,068 MW 2 BLU&.&%= vapor cond(h6-h7)+ mvapoextrac(h6-h11)
2 BLU&.&%= 5 538,88(3 208,5-2 743,77)+5,55(3 208,5-2 072,41)= 24,384MW 5;7NIN' = vaporcond(h7-h8) =38,88(2 072,41-173,88)=73,814 MW
-
53
2 &7.&%;7N= vapor cond (h9-h8) =38,88(174,81-173,88)=36,158 kW 5FUI;%6INBn = vaporcond(h9-h10)=38,88(648,79-147,672)=19,483 MW 5FUI;%6INB0 = vaporcond (h12-h11)=5,55(512,42-2 743,77)=-12,396 MW 2 &7.&%= (h1-h13) =52,77(951,88-941,88)=664,366 Kw
5 a = (h4-h1)=52,77 (3 019,22-951,88)=109,109 MW
7.2.12 Rendimiento del ciclo de vapor
Una vez calculadas todas las potencias que intervienen en el ciclo, el rendimiento del
mismo viene dado por la siguiente igualdad:
J = bjciebkehg
J = +22157 + 24384) +36,158 + 666,366)109109 + 27071 12396 + 19483
J;C;67L%%F7U = 32%
7.2.13 Diseo del alternador
El alternador de la central ser de eje horizontal por situarse en el eje de la turbina, de
tipo sncrono, al ser estos los ms indicados para potencias superiores a 2 MW, y con un
nico par de polos, por lo que la velocidad de giro ser:
= zF
= 3000
-
54 Donde: n: Velocidad de giro del motor, expresado en rpm
f: Frecuencia de la red, expresado en Hz
p: n de pares de polos
Se ha elegido una tensin nominal igual a 11 kV, como la de otras plantas actualmente
en funcionamiento ya que para la potencia a la que se genera es conveniente utilizar esta
tensin para evitar problemas con las corrientes.
La potencia nominal es de 50 MW, y el factor de potencia escogido para hacer que la
central funcione correctamente es igual a cos =0,85.
Por lo tanto el valor de la intensidad nominal del sistema se podr calcular con la
ecuacin de la potencia activa:
~ = 3 " < /9^
Donde: P: Potencia nominal de la planta, expresado en MW
U: Tensin nominal expresada en kV
I: Corriente nominal, expresada en kA
Cos: Factor de potencia
50 10z = 3 11 10 < 0,85 < = 3,08 8 El alternador elegido ha sido el 1000A refrigerado por aire de Siemens cuyas
caractersticas vienen detalladas en el anexo C de especificaciones tcnicas.
-
55 Por lo general, los alternadores difcilmente tendrn un rendimiento inferior al 99%, por
lo tanto ese ser el rendimiento del alternador de la central.
alternador=99%
7.3 Produccin elctrica 7.3.1 Produccin elctrica solar
Con una superficie de 287 760 m2, un rendimiento medio de transformacin solar
trmica de un 76% y un rendimiento del ciclo trmico-elctrico del 32%, se puede
obtener a partir de la tabla de radiacin normal directa de la NASA una previsin de la
produccin elctrica por meses y el total anual. Los resultados son los que indica la
tabla 7-5.
~I =
-
56
Tabla 7-5: Produccin elctrica bruta por meses Meses
Rad normal direct
(kWh/m2dia)
Produccin bruta de Energa
(MWh)
Enero 4,50 5 722,72
Febrero 5,15 6 549,33
Marzo 5,55 7 058,02
Abril 6,20 7 884,63
Mayo 6,26 7 960,94
Junio 7,52 9 563,30
Julio 7,61 9 677,75
Agosto 6,98 8 876,57
Septiembre 5,66 7 197,91
Octubre 4,70 5 977,06
Noviembre 4,09 5 201,31
Diciembre 3,89 4 946,97
media anual 5,68 7 218,04
Total anual
93 834,55
En la figura 7-5 se observa la evolucin de la cantidad de energa elctrica bruta que se
va a producir de una manera ms grfica.
Figura 7- 5: Produccin elctrica bruta anual
-
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
Produccin elctrica bruta mensual (MWh)
-
57 7.3.2 Produccin elctrica con caldera auxiliar
El funcionamiento habitual de estas plantas consta con ciclos diarios de parada y de
arranque.
Con el fin de suplir las prdidas durante los paros, el vigente RD 436/2004 (modificado
posteriormente por el RD 231/2004) permite el uso de un combustible auxiliar, que en
este caso ser el Gas Natural.
El Gas Natural es el combustible elegido por motivos ambientales (su combustin
genera menos CO2 que la del propano u otros combustibles lquidos) y econmicos.
Si el rgimen econmico elegido es la venta de energa elctrica a tarifa regulada, esta
energa auxiliar solo puede utilizarse hasta un mximo de un 12% anual segn el RD
2351, art 24.1.
Por el contrario si se elige el rgimen de mercado, se podr utilizar hasta un mximo de
un 15% de combustible auxiliar sobre el computo anual segn el RD 2351, art 24.1. Si
se considera que la energa trmica obtenida por este combustible se transfiere al fluido
de intercambio (aceite trmico), se tiene que una parte se destinar a compensar las
perdidas de carga, representando hasta un 15% ser energa adicional aportada por la
caldera auxiliar.
En este caso, se va a suponer que la parte de combustible auxiliar destinada a compensar
prdidas o ausencias de radiacin del campo solar ser la mxima permitida: un 15% de
la produccin elctrica total:
El rendimiento de la caldera se supondr en un 90%, que es el rendimiento habitual de
las calderas de gas. Por lo tanto existir una produccin elctrica adicional obtenida a
partir de la energa trmica aportada por la caldera auxiliar.
;%6.%Ls = F 15% 90% = 12667,662
-
58 Donde:
F= Energa producida por el campo solar, expresado en MWh/ao
De esta manera:
;%6.%Ls = 93834,95 15% 90% = 12667,662
Existir una produccin elctrica adicional de 12 667,66 MWh/ao obtenidos a partir
de energa trmica aportada por la caldera auxiliar.
Segn lo visto en los apartados anteriores la produccin bruta total de energa ser la
que marca la tabla 7-6.
Tabla 7-6: Produccin de energa bruta
Produccin de energia bruta (MWh anuales)
Campo solar 93 834,55
Caldera auxiliar 12 667,66
Produccin bruta 106 502,22
La central se encontrar funcionando todas las horas del ao en que haya sol, por lo que
arrancar y parar todos los das, funcionando un gran nmero de horas a cargas
parciales.
7.3.3 Estudio de disponibilidad
Para llevar a cabo el estudio de disponibilidad de la planta se van a llevar a cabo una
serie de consideraciones.
En primer lugar se va a calcular cual es la potencia mxima que la planta puede alcanzar
cuando el valor de radiacin global directa es el ms alto (este valor coincide con el que
se ha tomado como punto de diseo anteriormente, es decir, 820 W/m2).
-
59 A partir de los datos de superficie de espejos y el rendimiento del campo solar citados
en apartados anteriores, se puede calcular la potencia trmica mxima del campo
diseado:
~W =
-
60
I = 720W/0
Para determinar el factor de carga de la central en cada momento se calcula la
distribucin de la radiacin a lo largo de las 24 horas del da de la forma mas precisa
posible.
En las tablas de la NASA, el dato de la distribucin horario no est disponible para la
radiacin global directa, que es la que se utiliza en la tecnologa de los CCPs, en cambio
si existen datos de distribucin trihoraria de radiacin global directa sobre la superficie
horizontal (ver Anexo C).
En la tabla 7-7 se muestran los diferentes grados de carga los que funcionar la central
termoelctrica:
Tabla 7-7: Grado de carga de la central
Hora Enero Febrero Marzo Abril Mayo Junio Julio Agosto Septiembre Octubre Noviembre Diciembre
1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
3 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
4 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
5 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
6 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
7 0 0 0,028 0,083 0,139 0,167 0,139 0,097 0,056 0,028 0 0
8 0 0 0,028 0,083 0,139 0,167 0,139 0,097 0,056 0,028 0 0
9 0 0 0,028 0,083 0,139 0,167 0,139 0,097 0,056 0,028 0 0
10 0,236 0,347 0,514 0,694 0,750 0,819 0,778 0,708 0,611 0,458 0,319 0,222
11 0,236 0,347 0,514 0,694 0,750 0,819 0,778 0,708 0,611 0,458 0,319 0,222
12 0,236 0,347 0,514 0,694 0,750 0,819 0,778 0,708 0,611 0,458 0,319 0,222
13 0,556 0,681 0,819 0,958 1,014 1,139 1,139 1,069 0,861 0,667 0,542 0,486
14 0,556 0,681 0,819 0,958 1,014 1,139 1,139 1,069 0,861 0,667 0,542 0,486
15 0,556 0,681 0,819 0,958 1,014 1,139 1,139 1,069 0,861 0,667 0,542 0,486
16 0,333 0,458 0,597 0,708 0,750 0,847 0,875 0,778 0,597 0,417 0,278 0,250
17 0,333 0,458 0,597 0,708 0,750 0,847 0,875 0,778 0,597 0,417 0,278 0,250
18 0,333 0,458 0,597 0,708 0,750 0,847 0,875 0,778 0,597 0,417 0,278 0,250
19 0 0,028 0,056 0,097 0,153 0,208 0,208 0,139 0,056 0,014 0 0
20 0 0,028 0,056 0,097 0,153 0,208 0,208 0,139 0,056 0,014 0 0
21 0 0,028 0,056 0,097 0,153 0,208 0,208 0,139 0,056 0,014 0 0
22 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
23 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
24 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
-
61 Aunque los porcentajes obtenidos indican que durante una considerable parte del tiempo
que la central est funcionando lo har a un grado de carga no muy alto, esta situacin
se ver compensada con el uso de la caldera de gas auxiliar.
No tendra sentido elegir una turbina inferior a 50 MW ya que al elegir una turbina de
potencia inferior se estara infrautilizando la capacidad de generacin de la planta
termoelctrica durante la mayor parte del ao, y que supondra un aumento en los costes
de operacin y mantenimiento de la central.
Segn la Agencia Estatal de Meteorologa, la ubicacin de la planta cuenta con 2 500
horas de sol al ao (ver anexo B), por lo tanto la central tendr un funcionamiento de
aproximadamente ese nmero de horas.
El factor de capacidad de la planta, esto